应用于船舶系统的UPS不间断电源技术改进研究

2017-04-24唐耀阳方明杰罗南杭饶文培

船电技术 2017年3期

唐耀阳，方明杰，罗南杭，饶文培

唐耀阳1，方明杰2，罗南杭2，饶文培2

（1.中国人民解放军海军驻431厂军事代表室，武汉 430064；2.武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064）

本文对UPS不间断电源的技术方案、改进设计和设备工作原理进行了分析、研究。本文研究设计的UPS不间断电源采取了改进散热器结构、改进风道、模块化开关电源、改进印制板、改进测量电路、增加UPS断电时自动切换旁路功能等12项主要技术措施，大幅度提高了设备的散热性能、可靠性和工作稳定性。

UPS不间断电源可靠性改进

0 引言

UPS不间断电源是船舶系统的重要设备，用于为船舶动力系统各设备、船上生活保障设备、船舶通讯系统等重要设备供电。随着设备使用频率增多、运行时间增长，设备散热性能下降、工作稳定性降低，已严重影响到船舶的安全运航行和船员生活保障，影响船舶的正常任务执行。对UPS不间断电源进行改进以提高船舶的安全可靠性，已是当务之急。

1 UPS不间断电源结构及原理

本文研究的UPS不间断电源设备[1]共4套，每套由1台不间断电源、1台隔离变压器箱和3台蓄电池箱组成，由于不间断电源容易出现超温报警、过流报警、自动切换到旁路、输出电压波动等故障，影响了相关系统的正常使用，影响到船舶正常使用和航行安全。

UPS不间断电源的功能原理框图如图1所示。UPS不间断电源改进样机具有原设备的全部功能。新增UPS不间断电源整机供电的自动应急措施。

2 UPS不间断电源功能

UPS不间断电源改进样机的主要功能为：

图1 UPS不间断电源改进样机功能原理框图

a）UPS正常逆变供电功能；

b）蓄电池放电、充电功能；

c）UPS自动旁路供电功能；

d）手动旁路供电功能；

e）新增UPS不间断电源整机供电的自动应急措施；

f）本机报警和远传报警功能。

3 UPS不间断电源技术分析

图2为单套UPS不间断电源的原理接线图。

UPS不间断电源的工作原理[2]为：

来自电力系统的单相380 V电源输出至隔离变压器箱，当隔离变压器箱前面板上的工况选择开关置于“正常”位置时，隔离变压器箱输出未稳压220 V为不间断电源供电，电源输出稳压220 V至隔离变压器箱，经隔离变压器箱内部的工况选择开关转接后，通过“220 V总输出”插座输出为船舶系统负载供电。而且，在单相380V输入断电时，不间断电源仍能依靠自带的蓄电池输出稳压220 V，继续为负载供电。

当隔离变压器箱前面板上的工况选择开关置于“旁路”位置时，隔离变压器箱输出的未稳压220 V电压，通过“220 V总输出”插座输出为船舶系统负载供电。

问题一：蓄电池箱

蓄电池箱内部安装20块串联的蓄电池，蓄电池的使用寿命为3～5年，实船使用过程中的故障率低，不须改进。

问题二：隔离变压器箱

隔离变压器箱内部包括隔离变压器、工况转换开关、断路器等，实船使用过程中工作可靠，但也存在如下影响设备使用方便性的问题：

a）当UPS出现严重故障输出失电时，此时需手动将隔离变压器箱上的旁路转换开关由“正常”切换至“旁路”位置，从操作人员发现故障到做出正确反应需要一段时间，不利于失电的应急操作。

b）隔离变压器在实船使用中运行稳定，但作为供电转换设备，变压器本身有一定的功耗，长期运行后本身温度高，影响隔离变压器的工作寿命，且影响UPS整机散热性能。

问题三：不间断电源

不间断电源内部包括主电路元件、辅助电源、控制板、驱动板、旁路板、散热器等各个部分[3]，在实船使用过程中，随着使用频率增多、运行时间增长，设备的散热效果下降，内部温升高，性能下降，多次出现超温报警、过流报警、自动切换到旁路、输出电压波动等故障。

主要问题分析如下：

1）设备内部温升高，影响设备工作稳定性；

2）不间断电源采用双层电路板，无单独的地线层，辅助电源线、地线传输距离较长从而容易叠加噪声，控制、驱动、测量电路受到电源干扰后工作稳定性下降；

3）不间断电源的输入电压、输出电压、电池电压和母线电压测量电路采用差动放大电路，强电电压接至控制板，长期使用后滤波器件性能下降，可能对弱电信号产生干扰，产生输出电压波动等故障；

4）不间断电源的电流传感器的输出为弱电压信号，长期使用后滤波器件性能下降，信号传递过程中受到干扰，出现电流监控异常、误报警、误保护等故障。

不间断电源的主电路电子元件在实船使用过程中工作较为可靠，故本次改进主要针对不间断电源的散热性能以及辅助电源、控制板、驱动板、旁路板存在的问题进行研究改进，而主电路基本结构保持不变。

4 UPS不间断电源改进研究

4.1 改进设计原则

UPS不间断电源改进设计原则为：

首先，为便于实船使用、维修和更换，改进后的设备应内变外不变，外部接口、外形尺寸、安装尺寸与原设备完全相同，可以实现对原设备的完全替换。第二，在现有设备基础上进行改进提高，保留成熟技术，在解决现有问题的同时，避免引入新的问题和故障隐患[4]。第三，针对原UPS存在的温升高以及测量电路、辅助电源电路等问题开展重点改进工作，通过UPS散热性能分析、散热设计、机箱结构设计、内部布置设计，解决UPS散热问题，降低设备的温升[5]；通过改用新型电压电流传感器、采用模块化电源等技术改进措施来解决测量电路、辅助电源电路存在的问题；采取自动切除热敏电阻、印制板改进设计、接插件集成、隔离变压器箱加装风扇等技术措施以提高设备的可靠性和工作稳定性[6]；增加UPS故障时自动切换旁路功能以提高整机供电可使用性。第四，在所有问题中，首要考虑解决散热问题，将散热设计作为改进工作的重点。

4.2 解决路径

针对设备存在的问题，UPS不间断电源改进如下：

1)散热器的改进

a）散热器的总散热面积增加、风阻降低，改善了散热性能；b）增加了IGBT的间距，功率密度降低，改善了散热性能。原UPS散热器结构示意图如图3所示，散热器长190 mm，截面为120 mm×120 mm，在120 mm高度方向安装的散热片数量为32个，散热片布置较密集，散热片间间距只有约2 mm，风阻较大，容易堵塞灰尘。

改进后散热器结构示意图如图4所示，散热器长270 mm，较原散热器增加了约40%，截面仍为120 mm×120 mm，但在120 mm高度方向安装的散热片数量改为24个，降低了25%。

改进后的散热器，风道更加通畅，总散热面积增加，使散热性能得到了提高。

同时，散热器上布置三个IGBT模块，由于散热器长度的增加，IGBT模块的中心距由50mm增加为80mm，降低了功率密度，改善了IGBT导热和散热。

2) 散热风道设计的改进

主要改进为：

a）结合实船应用特点，直接从前面板进风，前后贯通式风道设计，风量大，风阻低，改善了散热性能；b）进风口安装可拆式屏蔽波导网，便于使用和维护，有助于设备长期保持良好散热性。

3) UPS电路的改进

a）增加自动切除/恢复热敏电阻功能

原UPS的220 V输入端串入热敏电阻，用于抑制启动瞬间为直流电容充电产生的启动电流，在UPS刚开始启动时，热敏电阻温度较低，其电阻值较大，可以抑制启动电流；UPS工作一段时间后，热敏电阻温度升高，其电阻值下降，但仍有较大的功耗，以输入电流5A、热敏电阻热态阻值为0.1W计算，则此时热敏电阻的功耗为2.5 W，热敏电阻温度高，一方面影响UPS散热，另一方面还存在失效时引发设备故障的隐患。

针对上述问题，本次改进采用继电器控制热敏电阻的切除和恢复，在UPS开始启动时，热敏电阻串联在输入回路中，从而可抑制启动电流，在UPS启动后，自动切除热敏电阻，既不影响上电瞬间热敏电阻的限流作用，又解决了热敏电阻长期通电过热的问题。图5为自动切除热敏电阻的原理示意图，虚线部分为所做的改进。

b）原UPS输入、输出采用小电流电源开关控制交流接触器的通/断方案，为使电路更加简化、可靠，改用H-LW98万能转换开关代替。H-LW98开关的耐压为500 V，额定电流为16 A，满足UPS使用要求。图6为电源开关改进前后的示意图。

图5 自动切除热敏电阻示意图

图6 电源开关改进前后示意图（左侧为改进前）

c）原UPS输入、输出采用普通陶瓷熔断器，其熔断时间较长，瞬间短路保护能力差，同时，熔断器安装在UPS内部，出现故障后不易检修。改进后UPS样机用快速熔断器代替原普通陶瓷熔断器，以提高保护能力，同时，熔断器由安装于设备内部，改为安装于前面板，以便于使用维修。

d）原UPS采用分立元器件构成辅助电源电路，位于控制板，其局部温度较高，长期使用后，元器件参数性能下降而输出纹波较大，容易对控制、测量、驱动信号产生干扰。在本次改进中，专门定制了性能优良的辅助电源模块，该电源模块有交流220 V和直流240 V两路输入，两路输入相互切换时输出不断电，输出电压纹波小于100 mV，该电源模块采用全金属外壳，安装于通风口上方，散热性能好，辅助电源的品质和可靠性大大提高，改进后辅助电源的外形和布置见图8。

e）原UPS内部接插件较多，多采用2.54 mm和3.96 mm间距的直插式印制电路板插座，反复插拔、长期使用后，易产生接触不良影响可靠性等问题，导致UPS工作异常，针对该问题，改进后的UPS采用3个用螺钉锁紧的镀金接插件，替代原分散布置于3块电路板的25个插拔式接插件，总接插件数由27个减少为5个，提高了接插件的接触可靠性，设备的工作可靠性得到提高。

f）原UPS控制板与驱动板之间有驱动信号、报警反馈、驱动电源等互联线，互联线较多容易造成信号干扰和降低可靠性，改进后的UPS将原控制板与驱动板合并为控制驱动板，而且通过优化设计、合理布局，电路板的外形尺寸缩小了约31%，设备的工作可靠性得到提高。

g）原UPS控制板与驱动板采用双层印制电路板，地线四处分布，易耦合噪声而使信号受到干扰，改进后的UPS样机用4层印制电路板替代原2层印制电路板，其中一层为地线层，同时印制板元器件合理布局，印制板走线加粗，通过上述措施，提高了信号抗干扰能力，设备的工作可靠性得到提高。

图7 原UPS内部电路板布置示意图

图8 UPS样机电路板布置示意图

改进前后印制电路板对比如表1所示。

图7为原UPS内部电路板布置示意图。图8为改进后UPS样机电路板布置示意图。

h）原UPS输入电流、输出电流、电池电流测量采用Honeywell公司的CS系列传感器，该传感器需要额外的调零、调量程电路来调节输出电压，在实际使用过程中出现零点漂移、输出弱电压信号在传递过程中易受干扰等问题，改进后的UPS样机改用LEM公司的LA58-P型电流传感器，其测量精度较高（＜0.5%），零点失调小（＜0.4%），响应时间快（＜1μs），直接输出电流信号（原副边电流比1000:1），抗干扰能力强，无需调零、调量程，与控制电路的匹配性增强、可靠性提高。

原电流测量原理如图9所示。改进后电流测量原理如图10所示。

i）原UPS输入电压、输出电压、电池电压、母线电压测量采用基于差动放大的测量电路，实际使用中出现因分压电阻阻值不匹配或阻值变化造成测量不准问题，以及将较高电压接入控制板，容易产生干扰等问题，改进后的UPS样机改用LEM公司的LV25-P/SP2型电压传感器，其精度较高（＜0.8%），线性误差小（＜0.2%），原付边隔离电压高（4.1 kV），直接输出电流（原副边电流比2500:1000），抗干扰能力强，无需调零、调量程，可靠性提高。原电压测量原理如图11所示。改进后电压测量原理如图12所示。

图11 原电压测量原理